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川中丘陵区土壤颗粒分形维数特征及影响因素研究

林正雨  
【摘要】: 土地是人类赖以生存和发展的重要物质基础,具有数量的有限性,空间位置的固定性,性状的地域差异性,功能的永久性等特征,是一种不可再生资源。随着城市化的发展、工业化的兴起,人类对地球表层系统的改造愈加广泛而深刻。不合理的土地利用方式不仅导致生态环境恶化,而且无序化的发展态势也严重制约着整个社会经济的持续与协调发展。水土流失问题是我国重大的生态环境问题,位于长江中上游的四川盆地丘陵区是我国水土流失发生最为严重的地区之一,水土流失面积占幅员面积的65%~70%,无保护措施的大面积垦殖,过度采伐,造成了土壤结构破坏,土壤肥力降低,加剧了当地及周边地区生态环境的恶化,水土流失在很大程度上制约了该区域的社会经济的健康发展。 从80年代起,分形理论作为描述不规则几何形体的有效方法应用于土壤学领域,解决了用传统方法无法或很难解决的问题。大量研究结果表明,土壤是具有典型分形特征的自相似系统,在土壤粒径、颗粒表面、颗粒体积,颗粒孔隙等具有统计意义上的自相似,即局部与整体有相同的统计分布,可采用分形维数来描述。因此,运用分形理论对该地区的土壤颗粒进行研究以便改善土壤结构、土壤质地状况进而治理水土流失具有重要的理论价值和现实意义。本研究以川中丘陵区内江市为例,在野外采样,室内分析的基础上得出如下研究成果: (1)川中丘陵区195个土壤样品的分形维数介于2.794~2.996之间;研究区域内成土母质侏罗系自流井组(J_(2z))、侏罗系遂宁组(J_(3s))、侏罗系蓬莱镇组(J_(3p))和侏罗系沙溪庙组(J_(2s))的平均分形维数分别为2.9325、2.9170、2.9086、2.9306(AZ模型);2.8135、2.7764、2.7550、2.8130(YPL模型),均表现出自流井组>沙溪庙组>遂宁组>蓬莱镇组。不同利用方式下,土壤颗粒分形维数具有明显分异特征,表现为林地>耕地>荒草地。其均值为:2.9341>2.9261>2.9019(AZ模型);2.8168>2.7993>2.7401(YPL模型)。不同坡位上,土壤颗粒分形维数呈现出随海拔降低而增大的趋势,从试验数据得知:丘顶最小,丘腰次之,丘脚最大。其值得变化范围在2.9066~2.9341(AZ模型),2.7504~2.8206(YPL模型)。 (2)土壤颗粒分形维数与砂粒含量成显著负相关,与粉粒、粘粒含量成显著正相关;相关分析可知,土壤分形维数主要与粒径小于0.05mm的细颗粒物质成显著正相关,表明土壤颗粒分形维数是反映土壤质地的一个较好指标。 (3)土壤颗粒分形维数与土壤有机质含量具有显著相关关系,即有机质含量越高,分形维数越大。林地、荒草地、耕地的有机质含量为16.47 Kg·g~(-1)、14.00 Kg·g~(-1),13.48 Kg·g~(-1),其土壤分形维数分别为2.934(AZ模型)、2.817(YPL模型),2.902(AZ模型)、2.740(YPL模型),2.926(AZ模型)、2.799(YPL模型)。 (4)从空间变异性分析看,土壤颗粒分形维数的空间分布呈现与丘体的等高线走向基本一致的特征,丘体底部和冲沟处为高值区,低值区多分布在丘体中上部,其值由低值区的2.794~2.858增至高值区的2.966~2.996。 (5)综合成土母质、土地利用、景观位置因素,可知AZ模型求得的土壤颗粒表面分形维数大于杨培岭模型求得的土壤颗粒粒径分布分形维数,因AZ模型是由土壤孔隙与土粒之间关系以及分形学原理,采用积分法推导得出,而杨培岭模型是以土粒的质量密度为一恒量,且不考虑不同土粒形状差异为基础的,所以AZ模型较之杨培岭模型更具有分形学意义。 (6)土壤颗粒分形维数作为土壤属性之一很好的反映出土壤肥力特征。本研究结果表明土壤颗粒粒径分布分形维数、土壤颗粒表面分形维数均与土壤肥力指标存在线性关系。通过土壤颗粒分形维数与土壤肥力属性的回归分析表明,拟合出的回归方程达到了1%显著水平(F_(0.01)=7.01),可将表征土壤颗粒组成的土壤颗粒分形维数用于作为评价土壤肥力特征的一个因子反应土壤肥力属性的变化特征。


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